Как промыть теплообменник лимонной кислотой: Промывка теплообменника газового котла лимонной кислотой

02.06.2019

Самый простой способ очистки газовой колонки от накипи.

Сразу хочется оговориться в статье идет речь именно о очистке проточной части водонагревателя от накипи . При этом предупреждаем, вмешиваться в работу газовой части колонки мы категорически не рекомендуем. Газом должны заниматься газовики. Иначе из-за малейшей оплошности можно наделать больших бед.

Самой распространенной неисправностью газовых проточных нагревателей или газовых колонок считается

Как понять, нужно ли вам чистить теплообменник или нет, и от чего он забивается. В зарастании трубок проточного водонагревателя накипью виноваты, как правило, вы сами и только отчасти жесткая вода. Почему Вы сами, ведь все кругом только и делают, что ругают жесткую воду. Все дело в том, что начинается при температуре воды свыше 80 градусов. Если быть точным, 78 градусов еще отложений нет, а при 82 начинаются интенсивные отложения накипи. А зачем спрашивается Вам такая температура? Для купания температура свыше 42 градусов не нужна, для удаления жиров 45 градусов достаточно, средства для удаления жира справляются с ним и в холодной воде. Для стирки больше 60 градусов не нужно, но сейчас в основном стирают стиральные машинки — автоматы.

Делайте выводы сами. Очень многие оставляют работать газовую колонку на запальнике , несомненно, удобно, нет необходимости разжигать и настраивать ее каждый раз, пламя на запальнике небольшое, но если вы его рассверлили для надежности, то хватает и часа, чтобы температура в теплообменнике нагревателя поднялась до 90 градусов, вот вам и накипь. И третья наша ошибка это работа газовой колонки при малом расходе воды – читайте низком давлении

Снижение загрязнения и загрязнения поверхностей теплообменника

1. Введение

Нагревание или охлаждение одной среды другой средой выполняется в теплообменнике вместе с отводом тепла с поверхностей оборудования. С течением времени во время работы на оборудование происходит отложение (загрязнение), которое снижает способность оборудования к теплообмену, а также увеличивает потерю давления и увеличивает мощность откачки. Таким образом, накопление нежелательных веществ на поверхности определяется как загрязнение.Возникновение обрастания наблюдается как в природных, так и в синтетических системах. В данном контексте нежелательные отложения на поверхностях теплообменника относятся к засорению. С развитием засорения теплообменник может выйти из строя до такой степени, что его придется вывести из эксплуатации для очистки или замены.

На общую конструкцию теплообменника может существенно влиять загрязнение, использование материала, параметры процесса и непрерывная работа в системе или технологическом потоке — все это сознательно зависит от явления загрязнения. Настоятельно рекомендуется принять превентивные меры по предотвращению загрязнения, так как теплообменник будет работать дольше. Однако многие методы уменьшения загрязнения вредны для окружающей среды. Техника, в которой используются химические вещества и средства, безвредные для окружающей среды, является наиболее желательным подходом и может увеличить интервал очистки. С другой стороны, могут потребоваться уникальные и эффективные меры для обеспечения удовлетворительной работы между графиками очистки. В результате засорение приводит к огромным экономическим потерям из-за его влияния на первоначальные затраты на работу теплообмена, эксплуатационные расходы, меры по снижению воздействия и производительность.Настоящее исследование сфокусировано на явлениях обрастания, моделях обрастания, среде загрязнения, учете загрязнения теплообменника при проектировании и уменьшении загрязнения.

2. Обрастание

Обрастание — это результат отложения и удаления отложений на поверхности теплообменника. Процесс обрастания можно представить уравнением (1).

dmfdt = m • d − m • rE1

wheredmf, m • dand m • редкие чистые скорости осаждения, скорости осаждения и удаления соответственно.

Рисунок 1.

Различные процессы осаждения и удаления во время обрастания.

Различные процессы осаждения и удаления для типичной системы можно спрогнозировать, как показано на рисунке 1. Процессы происходят одновременно и зависят от рабочих условий. Обычно скорость удаления увеличивается с увеличением количества отложений, тогда как скорость осаждения не зависит от количества отложений, но зависит от изменений, вызванных отложениями, таких как увеличение скорости потока и шероховатости поверхности. При применении постоянной температуры стенки или граничных условий с постоянным коэффициентом теплопередачи температура поверхности раздела уменьшается по мере накопления отложений, что снижает скорость осаждения.

Периодом начала или временной задержки загрязнения теплообменника считается время, когда в течение некоторого времени не происходит отложения после того, как чистый теплообменник был введен в эксплуатацию. На рисунке 2 это подробно показано. Первоначальный рост отложений может привести к увеличению коэффициента теплопередачи, а не уменьшению, что приводит к сопротивлению засорению из-за изменения характеристик потока у стены. На начальном этапе осадок проникает в вязкий подслой, в результате чего турбулентность увеличивает коэффициент теплопередачи пленки на границе твердое тело / жидкость за счет изменения характеристик потока у стенки.Это увеличение коэффициента теплопередачи может преодолеть тепловое сопротивление отложений, и чистый коэффициент теплопередачи может увеличиться.

Несколько авторов сообщили об отрицательной устойчивости к обрастанию [1, 2]. Этот процесс продолжается до тех пор, пока дополнительное сопротивление теплопередаче не преодолеет преимущество повышенной турбулентности. Период времени от начала процесса загрязнения до тех пор, пока сопротивление засорению снова не станет равным нулю, называется временем задержки шероховатости [3]. Период времени от начала, когда происходит образование стабильных кристаллических зародышей и их конкреция в плотный слой загрязнения, также называется периодом индукции, который, по сути, является временем задержки шероховатости и заканчивается увеличением сопротивления засорению выше нулевой уровень.

Рисунок 2.

Типичные кривые загрязнения.

Период зарождения и время задержки шероховатости для загрязнения твердыми частицами очень малы [4] по сравнению с довольно большим временем задержки для кристаллизационного загрязнения [5]. По истечении времени задержки шероховатости кривую загрязнения можно разделить на три категории: (а) линейная, (б) нисходящая и асимптотическая, как показано на Рисунке 2.

Линейная кривая загрязнения получена для очень сильных отложений, удаление которых осуществляется незначительно или в случае, когда скорость удаления постоянна (и осаждение происходит быстрее, чем удаление).Кривая скорости спада получается из-за уменьшения отложений и отложений с более низкой механической прочностью. Комбинированный эффект со временем приводит к падению чистой скорости осаждения или загрязнения. Асимптотическая кривая обрастания чаще всего описывается для разных типов обрастания. Скорость удаления увеличивается со временем для слабых отложений и в конечном итоге может сравняться со скоростью осаждения. В этом случае чистая скорость равна нулю, как показано на Рисунке 2.

Линейные кривые загрязнения были представлены многими авторами для кристаллизационного загрязнения [6-8].Однако есть некоторые сомнения относительно того, может ли скорость загрязнения оставаться линейной в течение длительного времени. В ситуации с постоянным тепловым потоком чистая движущая сила может уменьшаться по мере загрязнения. Увеличение скорости потока из-за уменьшения площади поперечного сечения с образованием отложений может увеличить скорость удаления, а линейная скорость может измениться на скорость падения или даже полностью выровняться [9]. Асимптотическое поведение кристаллизационного загрязнения описывается различными авторами [10, 5, 11-12]. Купер и др. [13] обнаружили асимптотическое поведение загрязнения фосфатом кальция (с некоторым загрязнением взвешенными твердыми частицами).В случае загрязнения твердыми частицами асимптотика достигается, поскольку частицы не сильно прилипают к стенке и могут быть легко удалены [4, 14].

Процесс загрязнения, который следует линейной скорости при постоянном тепловом потоке, может иметь спад или даже асимптотическое поведение при постоянной разнице температур. Температура поверхности раздела снижается с образованием отложений из-за дополнительного сопротивления, обеспечиваемого слоем отложений, и повышенной скорости потока, поскольку проходы потока частично блокируются отложениями.Таким образом, тепловые граничные условия могут привести к различным кривым загрязнения, что может дать неправильное представление о реальном механизме загрязнения.

2.1. Категории обрастания

Загрязнения можно разделить на несколько категорий. Это (1) теплообмен, (2) тип рабочей жидкости и (3) область применения. Большинство ситуаций обрастания практически уникальны. Обрастание [15] можно разделить на следующие категории: (i) твердые частицы, (ii) осадки, (iii) коррозия, (iv) биообрастание и (v) химическая реакция.

2.2. Засорение твердыми частицами

Загрязнение твердыми частицами возникает в результате накопления твердых частиц, взвешенных в технологическом потоке, на поверхности теплопередачи. Тяжелые частицы оседают на горизонтальной поверхности под действием силы тяжести, а мелкие частицы оседают на теплопередающие поверхности под различным углом наклона из-за силы всасывания или других механизмов. Несгоревшее топливо или отложение золы на трубах котла, отложение пыли на конденсаторах с воздушным охлаждением и т. Д. Являются примерами загрязнения твердыми частицами.

2.3. Засорение осадками (осадочное обрастание)

Этот вид обрастания также называется кристаллизационным обрастанием. Растворенные неорганические соли обычно присутствуют в жидкости, используемой в теплообменнике. В этой жидкости может быть растворено максимальное количество соли (насыщенной). При нагревании или охлаждении происходит пересыщение растворенных неорганических солей. Соли с обратной растворимостью, такие как сульфат, карбонат, силикат кальция и магния и т.д., обладают меньшей растворимостью в теплой воде до определенной температуры, чем в холодной воде.Это может произойти, когда условия процесса внутри теплообменника отличаются от условий на входе. Поток на стенке с температурой выше соответствующей температуры насыщения растворенных солей способствует образованию кристаллов на поверхности. Обычно кристаллизация начинается в особенно активных точках — местах зарождения, таких как царапины и ямки, и часто после периода индукции распространяется по всей поверхности. Этот тип загрязнения является сильным и плотным и требует тщательной механической или химической обработки для удаления [16].Скорость загрязнения увеличивается с увеличением концентрации соли или температуры поверхности. Они часто встречаются в теплообменниках перерабатывающих производств, котлах, испарителях и т. Д.

2.4. Химическая реакция загрязнения

Этот тип загрязнения возникает, когда отложения образуются в результате химической реакции, приводящей к образованию твердой фазы на поверхности или вблизи нее. В данном случае углеродистый материал откладывается из-за термической градации компонентов технологического потока на горячей поверхности теплопередачи. Этот тип загрязнений часто бывает чрезвычайно стойким и требует специальных мер для удаления отложений с поверхностей теплообменников, чтобы обеспечить им удовлетворительный срок службы [16].

2,5. Коррозионное загрязнение

Этот тип загрязнения также вызывается какой-либо химической реакцией, но он отличается от загрязнения химической реакцией. Это обрастание — реагент, и он расходуется. В этом случае поверхность вступает в реакцию с жидкостью и подвергается коррозии [15]. Продукты коррозии могут загрязнять поверхность, если они не растворяются в растворе после образования.Значение pH раствора является одним из контролирующих параметров. Например, присутствие серы в топливе может вызвать коррозию газовых и жидких котлов. Коррозия часто более подвержена жидкостной стороне теплообменника. В некоторых случаях продукт коррозии может быть унесен вниз по технологическому контуру и вызвать осаждение на поверхности.

2.6. Накопление биологического обрастания

На поверхности теплопередачи рост биологических материалов приводит к биологическому обрастанию. В этом случае к теплопередающей поверхности прилипают биологические микро- и макроорганизмы.Когда микроорганизмы (например, водоросли, бактерии, плесень и т. Д.) И их продукты растут, они образуют микробные загрязнения. Водоросли, водоросли, ракушки развивают микробное обрастание. Эти загрязнения могут происходить одновременно. Рост прикрепленных организмов — одна из распространенных проблем [15] при эксплуатации теплообменников. Пищевая промышленность, конденсаторы электростанций, использующие морскую воду, и т. Д. Испытывают биообрастание.

2.7. Процесс обрастания

Обрастание — сложное явление, связанное с участием большого количества переменных.С фундаментальной точки зрения, механизм обрастания следует определенным стадиям в развитии на поверхности [17]. Это: инициация, транспортировка, прикрепление, удаление и старение.

2,8. Инициирование

Поверхность кондиционируется в период инициации. На начальный период индукции задержки влияют температура поверхности материала, материал, качество поверхности, шероховатость и покрытие поверхности. С увеличением степени пересыщения по отношению к температуре поверхности теплопередачи или повышением температуры поверхности период индукции уменьшается.Во время индукционного периода также образуются ядра для кристаллизации отложений для биологического роста. Этот период может длиться долго, может составлять несколько недель, несколько минут или даже секунд.

Период задержки уменьшается с увеличением температуры при загрязнении химической реакцией из-за ускорения индукционных реакций. Если начальный период уменьшается с увеличением температуры поверхности, кристаллизационное обрастание изменится [18]. С увеличением шероховатости поверхности период задержки имеет тенденцию к уменьшению [19].Дополнительные участки образуются выступами шероховатости, что способствует кристаллизации, а канавки создают области для осаждения частиц.

2.9. Транспорт

В этой части загрязняющие вещества из объема жидкости переносятся к поверхности теплопередачи через пограничный слой. Это зависит от физических свойств системы и разницы концентраций между объемом и поверхностью раздела флюидов. Транспорт осуществляется рядом явлений, включая диффузию, осаждение и термофорез [20, 21].Поток местного осаждения md • на поверхности можно выразить уравнением (2).

md • = hD (Cb − Cs) E2

Где Cband Cs — концентрация реагента в объеме жидкости и в жидкости, прилегающей к поверхности теплопередачи, где as hD — коэффициент конвективного массопереноса. По числу Шервуда (Sh = hDd / D) можно было оценить жесткий диск. Число Шервуда зависит от расхода и геометрических параметров.

Явление переноса твердых частиц в жидкости под действием силы тяжести на горизонтальной или наклонной поверхности известно как осаждение.Это играет важную роль, когда частицы тяжелые, а скорость жидкости низка.

2.10. Приложение

На этом этапе происходит прилипание отложений к поверхности и между собой. Ионы соли, приближающиеся к поверхности, притягиваются к ней за счет электромагнитных сил и прилипают к поверхности, образуя зародышеобразование, и постепенно она со временем растет, образуя слой загрязнения. Таким образом, силы, действующие на частицы по мере их приближения к поверхности, не могут определить прикрепление. Свойства материалов, такие как размер, плотность и состояние поверхности, являются доминирующими в явлении прикрепления.

2.11. Удаление

Существует конкуренция между удалением и отложением загрязняющих веществ, вплоть до устойчивого роста отложений на поверхности. За удаление отвечают поперечные силы на границе раздела между жидкостью и отложениями. Градиенты скорости на поверхности, вязкость жидкости и шероховатость поверхности определяют силы сдвига. Удаление с поверхности происходит за счет механизма растворения, эрозии и отслаивания.

2.12.Старение

С началом осаждения начинается старение. Во время старения может происходить трансформация кристалла для улучшения или уменьшения прочности осаждения со временем. Во время старения механические свойства покрытия могут измениться из-за изменений кристаллической или химической структуры. Изменение химического состава отложений в результате химической реакции может изменить его механическую прочность. С другой стороны, слой биообрастания может стать слабым из-за коррозии на поверхности при медленном отравлении микроорганизмами.

2.13. Изменение толщины наплавки со временем

На рисунке 3 показана скорость роста наплавки на поверхности [15]. Область A: обрастание начинается в индукционный период. Область B: устойчивый рост отложений на поверхности. Скорость удаления отложений была увеличена, когда скорость осаждения постепенно снижалась. Область C: в этой области скорость удаления и осаждения кажется равной, а толщина осаждения остается постоянной.

Рис. 3.

Изменение толщины наплавки со временем.

2.14. Комбинированное загрязнение

Некоторые из общих солей, вызывающих загрязнение, — это CaSO ₄ , CaCO ₃ и Mg (OH) ₂ и SiO ₂ . Растворимость, кристаллическая структура и прочность влияют на образование отложений в композитах при загрязнении. Таким образом, композитное обрастание требует большего внимания и дальнейших исследований [17].

3. Эффекты засорения

Явления засорения приводят к замедлению теплопередачи и увеличению падения давления на трение, что снижает эффективность теплообменника.В настоящей главе обсуждаются некоторые основные аспекты конструкции теплообменников, а также меры по уменьшению загрязнения.

3.1. Влияние загрязнения на конструкцию теплообменника

Фиксированное значение сопротивления загрязнению может быть присвоено на стадии проектирования, хотя засорение зависит от времени. График очистки и рабочие параметры теплообменника зависят от проектного фактора загрязнения. В зависимости от области применения некоторые теплообменники требуют частой очистки, а некоторые — очистки задней части.Скорость загрязнения является доминирующим фактором при проектировании конкретного теплообменника.

Допуск на обрастание: Резервы находятся на стадии проектирования, если ожидается загрязнение. Для учета сопротивления обрастанию используются разные подходы. Все они приводят к избыточной площади поверхности теплообмена. Обновленные методы включают в себя указание сопротивления загрязнению, коэффициента чистоты или процентного содержания по поверхности.

Устойчивость к обрастанию предписана с каждой стороны поверхности, где ожидается загрязнение.В результате получается более низкий общий коэффициент теплопередачи. Для достижения заданной теплоотдачи предусмотрена избыточная площадь поверхности. Пока не будет достигнуто заданное значение сопротивления загрязнению, работа теплообменника будет удовлетворительной. В зависимости от этого факта может быть составлен график технического обслуживания, чтобы избежать беспрецедентного отключения для очистки. Ассоциация производителей трубчатых теплообменников (TEMA) [22] является указанным источником факторов загрязнения, используемых в конструкции теплообменников. Заводские данные, данные собственных исследований, личный опыт и опыт компании и т. Д.другие источники данных о сопротивлении обрастанию могут быть использованы при проектировании.

Свести к минимуму обрастание с учетом конструктивных особенностей: Степень загрязнения может быть минимизирована за счет надлежащей практики проектирования. Теплообменники с прямым контактом рассматриваются там, где желательно чрезмерное загрязнение. Обычно струю жидкости, склонной к загрязнению, следует направлять со стороны трубы, поскольку очистка упрощается. Обычно более высокая скорость жидкости и более низкая температура стенки трубы замедляют накопление загрязнений. Скорость 1,8 м / с является широко принятым показателем для потока в трубах теплообменника.Теплообменники, работающие выше точки росы для паров кислоты и выше точки замерзания для жидкостей, содержащих парафин, предотвращают коррозию и замерзание. Загрязняющие отложения всегда находятся в тяжелом состоянии в области низкой скорости в районе перегородок на межтрубной поверхности кожухотрубных теплообменников.

Конструктивные особенности, облегчающие борьбу с обрастанием: Полное устранение обрастания может быть невозможно только с помощью хорошей практики проектирования. Итак, теплообменники требуют чистки через определенные промежутки времени. Оперативная очистка может использоваться для борьбы с загрязнением путем увеличения цикла очистки. Непрерывное обрастание может обеспечить минимальное количество обрастаний. На этапе строительства и монтажа установки оперативная система очистки может быть легко установлена. Теплообменник со съемной головкой и прямой трубкой будет легко чистить и обслуживать. Необходимо наличие места и приспособлений для снятия и очистки трубных пучков. На месте очистных сооружения должны быть обеспечены с вариантами поддержания изоляции клапанов и положения соединения для чистки шлангов, которые могут привести к химической чистке.

Загрязнение и эксплуатация теплообменников: Обеспечение избыточной площади поверхности в теплообменниках для предотвращения загрязнения может привести к проблемам при эксплуатации и накоплению засорения. Обычно высокая площадь теплопередачи увеличивает общую теплопередачу, что повышает температуру на выходе. Из-за изменения параметров процесса, таких как поток, температура поверхности приводит к более сильному загрязнению.

Стратегии контроля засорения: Для контроля засорения применяется ряд стратегий. В рабочем состоянии добавлены присадки.Другими вариантами являются методы очистки поверхностей в оперативном или автономном режиме. Некоторые исследователи объединили усилия по борьбе с обрастанием при различных последствиях, как указано в таблице 1 [23].

Интерактивные методы	Автономные методы
Использование и контроль соответствующих добавок: Ингибиторы, антискаланты, диспергаторы, кислоты, воздушная струя Оперативная очистка: Губчатые шарики, щетки, Звуковые рожки, Воздуходувки сажи, Цепи и скребки, Термический шок, Удар воздуха	Разборка и ручная очистка: Насадки: Жидкостная струя, Пар, Воздушная струя. Механическая очистка: Сверла, скребки Химическая очистка

Таблица 1.

Различные методы, адаптированные для контроля загрязнения.

Теплообменник с экологичными добавками: Многие добавки были разработаны для замедления обрастания, но многие из них оказались канцерогенными по своей природе. Теперь исследователи обращаются к зеленым добавкам. Химия и анализы продолжаются. Впоследствии будут достигнуты лабораторные анализы и характеристики. В ближайшем будущем пользователи ждут прорыва в этой области.

3.2. Влияние обрастания на перенос тепла

Минеральные отложения, отлагающиеся на поверхностях теплообменников, являются постоянной и дорогостоящей проблемой в обрабатывающих отраслях промышленности, системах водяного охлаждения, парогенераторах, опреснении испарением и т. Д., А также в домашнем оборудовании. Осаждение минеральных солей в виде накипи на поверхности трубопровода вызывает препятствие потоку жидкости, сопротивление теплопередаче, износ металлических деталей, локальное коррозионное воздействие и внеплановый останов оборудования.

Наплавленный слой обеспечивает дополнительное сопротивление теплопередаче. Как правило, теплопроводность слоя отложений очень низкая по сравнению с теплопроводностью материала теплообменника, что может привести к гораздо более высокому тепловому сопротивлению, чем сопротивление стенки или пленки. Слой отложений также уменьшает проходное сечение, что увеличивает падение давления. Эта проблема весьма серьезна и усугубляется шероховатой поверхностью осадка. Оба эффекта значительно снижают производительность теплообменника.Дополнительные потребности в энергии с точки зрения увеличения мощности нагрева или накачки могут снизить экономичность процесса.

В круглой трубе засорение накапливается внутри или снаружи трубы, в зависимости от протекающей жидкости. Обрастание добавляет изолирующую оболочку к поверхности теплопередачи. Общий коэффициент теплопередачи для гладкого трубчатого теплообменника в условиях наплавки, U _f , может быть получен путем сложения внутреннего и внешнего теплового сопротивления:

Uf = 1Ao / Aihi + AoRfi / Ai + Aoln (do / di) / 2πkL + Rfo + 1 / hoE3

, где R _fi и R _fo представляют собой сопротивления для внешней и внутренней поверхностей трубок.

Термическое сопротивление из-за загрязнения обычно оценивается на основании экспериментов как разница в общих удельных сопротивлениях загрязненной и чистой стены:

Rf = (1Uf − 1Ucl) E4

Где, общий коэффициент теплопередачи U _ƒ также можно оценить с помощью уравнения скорости:

Uf = Q • (A × ΔTf) E5

Скорость теплового потока Qf • и разность температур ΔTf (разница температур между нагретой поверхностью и жидкостью в объеме) получены экспериментально. .A — площадь поверхности теплообмена, подверженная воздействию жидкости. Чистая скорость осаждения CaSO ₄ .2H ₂ O на поверхности металла оценивается как mt, где mis — общее накопление массы на единице площади, а t относится к количеству времени, в течение которого поверхность подвергалась воздействию раствора грязный.

Используя определение коэффициента теплопередачи и сопротивления загрязнению, можно вывести уравнение (6) для постоянной тепловой нагрузки.

AfouledAclean = 1 + UcleanRfE6

Требуемая площадь избыточной теплопередачи обычно становится чрезмерной из-за более высоких коэффициентов чистой теплопередачи.Часто рекомендуется, чтобы дополнительная поверхность не превышала 25 процентов от требуемой поверхности теплообмена для чистой работы.

3.3. Влияние загрязнения на падение давления

В теплообменниках потеря давления считается более критичной, чем потеря теплопередачи из-за загрязнения. Обрастание приводит к образованию конечного слоя. На поле течения, перепад давления влияет изменение геометрии проточного канала. Таким образом, в трубчатом теплообменнике осажденный слой делает поверхность шероховатой, уменьшает внутренние и увеличивает внешний размер труб.Внутренний диаметр трубы уменьшается, а шероховатость трубы увеличивается из-за загрязнения, которое вызывает увеличение падения давления. Падение давления внутри бака

ТЕПЛООБМЕННИКИ

Теплообменник — это устройство, используемое для передачи тепла между двумя или более жидкостями. Жидкости могут быть одно- или двухфазными и, в зависимости от типа теплообменника, могут быть разделены или находиться в прямом контакте. Устройства, в которых используются источники энергии, такие как стержни ядерного топлива или огневые нагреватели, обычно не считаются теплообменниками, хотя многие принципы, заложенные в их конструкции, одинаковы.

Чтобы обсудить теплообменники, необходимо дать некоторую форму категоризации. Обычно используются два подхода. Первый рассматривает конфигурацию потока в теплообменнике, а второй основан на классификации типа оборудования в первую очередь по конструкции. Оба рассмотрены здесь.

Классификация теплообменников по конфигурации потока

Существует четыре основных конфигурации потока:

На рисунке 1 показан идеализированный противоточный теплообменник, в котором две жидкости текут параллельно друг другу, но в противоположных направлениях.Этот тип устройства потока позволяет максимально изменить температуру обеих жидкостей и, следовательно, является наиболее эффективным (где эффективность — это количество фактически переданного тепла по сравнению с теоретическим максимальным количеством тепла, которое может быть передано).

Рисунок 1. Противоток.

В теплообменниках с прямоточным потоком потоки текут параллельно друг другу и в том же направлении, как показано на рисунке 2. Это менее эффективно, чем противоток, но обеспечивает более однородную температуру стенок.

Рисунок 2. Попутный поток.

По эффективности теплообменники с перекрестным потоком занимают промежуточное положение между противоточными и параллельными теплообменниками. В этих установках потоки текут под прямым углом друг к другу, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Поперечный поток.

В промышленных теплообменниках часто встречаются гибриды вышеуказанных проточных типов. Примерами являются комбинированные теплообменники с поперечным / противотоком и многоходовые теплообменники.(См., Например, рисунок 4.)

Рисунок 4. Поперечный / противоточный поток.

Классификация теплообменников по конструкции

В этом разделе теплообменники классифицируются в основном по их конструкции, Garland (1990) (см. Рисунок 5). Первый уровень классификации — разделение типов теплообменников на рекуперативные и регенеративные. Рекуперативный теплообменник имеет отдельные пути потока для каждой жидкости, и жидкости протекают одновременно через теплообменник, обмениваясь теплом через стенку, разделяющую пути потока.Рекуперативный теплообменник имеет единственный путь потока, по которому попеременно проходят горячие и холодные жидкости.

Рисунок 5. Классификация теплообменников.

Регенеративные теплообменники

В регенеративном теплообменнике путь потока обычно состоит из матрицы, которая нагревается, когда горячая жидкость проходит через нее (это известно как «горячий удар»). Это тепло затем передается холодной жидкости, когда она протекает через матрицу («холодный удар»).Регенеративные теплообменники иногда называют емкостными теплообменниками . Хороший обзор регенераторов дает Walker (1982).

Регенераторы в основном используются для рекуперации тепла газа / газа на электростанциях и в других энергоемких отраслях. Два основных типа регенератора — статический и динамический. Оба типа регенераторов являются кратковременными в эксплуатации, и, если при их проектировании не уделить должного внимания, обычно происходит перекрестное загрязнение горячего и холодного потоков.Однако использование регенераторов, вероятно, расширится в будущем, поскольку предпринимаются попытки повысить энергоэффективность и утилизировать больше низкопотенциального тепла. Однако, поскольку регенеративные теплообменники, как правило, используются для специальных применений, рекуперативные теплообменники более распространены.

Рекуперативные теплообменники

Существует много типов рекуперативных теплообменников, которые можно в широком смысле сгруппировать в косвенный контакт, прямой контакт и специальные. В теплообменниках непрямого контакта теплоносители разделяются с помощью трубок, пластин и т. Д.. Теплообменники с прямым контактом не разделяют жидкости, обмениваясь теплом, и фактически полагаются на то, что жидкости находятся в тесном контакте.

В этом разделе кратко описаны некоторые из наиболее распространенных типов теплообменников, и они организованы в соответствии с классификацией, приведенной на рисунке 5.

В этом типе пары разделены стенкой, обычно металлической. Примерами являются трубчатые теплообменники, см. Рисунок 6, и пластинчатые теплообменники, см. Рисунок 7.

Трубчатые теплообменники очень популярны из-за гибкости, которую проектировщик должен учитывать в широком диапазоне давлений и температур.Трубчатые теплообменники можно разделить на несколько категорий, из которых кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным.

Кожухотрубный теплообменник состоит из ряда трубок, установленных внутри цилиндрической оболочки. На рисунке 8 показан типичный блок, который можно найти на нефтехимическом заводе. Две жидкости могут обмениваться теплом, одна жидкость течет по внешней стороне трубок, а вторая жидкость течет по трубкам. Жидкости могут быть одно- или двухфазными и могут течь в параллельном или перекрестном / противотоке. Кожухотрубный теплообменник состоит из четырех основных частей:

• Передняя часть — это то место, где жидкость входит в трубную часть теплообменника.

• Задний конец — это то место, где жидкость со стороны трубы выходит из теплообменника или где она возвращается в передний коллектор в теплообменниках с несколькими проходами со стороны трубы.

• Пучок труб — состоит из трубок, трубных решеток, перегородок, анкерных стержней и т. Д. Для удержания пучка вместе.

• Кожух — содержит пучок труб.

Популярность кожухотрубных теплообменников привела к разработке стандарта для их обозначения и использования. Это стандарт ассоциации производителей трубчатых теплообменников (TEMA). Обычно кожухотрубные теплообменники изготавливаются из металла, но для специальных применений (например, с использованием сильных кислот в фармацевтических препаратах) могут использоваться другие материалы, такие как графит, пластик и стекло. Также нормально, чтобы трубки были прямыми, но в некоторых криогенных применениях используются спиральные катушки или катушки Хэмпсона .Простая форма кожухотрубного теплообменника — это двухтрубный теплообменник. Этот теплообменник состоит из одной или нескольких трубок, содержащихся внутри трубы большего размера. В наиболее сложной форме многотрубный двухтрубный теплообменник мало отличается от кожухотрубного теплообменника. Однако двухтрубные теплообменники, как правило, имеют модульную конструкцию, поэтому несколько блоков могут быть соединены болтами для достижения требуемой нагрузки. Книга Э.А.Д. Saunders [Saunders (1988)] дает хороший обзор трубчатых теплообменников.

К другим типам трубчатых теплообменников относятся:

• Печи — технологическая жидкость проходит через печь в прямых или спирально намотанных трубах, а нагрев осуществляется горелками или электрическими нагревателями.

• Пластинчатые трубы — в основном используются в системах рекуперации тепла и кондиционирования воздуха. Трубки обычно монтируются в какой-либо форме воздуховода, а пластины действуют как опоры и обеспечивают дополнительную площадь поверхности в виде ребер.

• С электрическим нагревом — в этом случае жидкость обычно протекает по внешней стороне электрически нагреваемых трубок (см. Джоулев нагрев).

• Теплообменники с воздушным охлаждением состоят из пучка труб, вентиляторной системы и несущей конструкции. Трубки могут иметь ребра различного типа, чтобы обеспечить дополнительную площадь поверхности со стороны воздуха. Воздух либо всасывается через трубы вентилятором, установленным над пучком (принудительная тяга), либо продувается через трубы вентилятором, установленным под пучком (принудительная тяга). Как правило, они используются в местах, где есть проблемы с получением достаточного количества охлаждающей воды.

• Тепловые трубы, сосуды с мешалкой и теплообменники из графитовых блоков можно рассматривать как трубчатые или помещать в Рекуперативные «Особые предложения». Тепловая труба состоит из трубы, материала фитиля и рабочей жидкости. Рабочая жидкость поглощает тепло, испаряется и переходит на другой конец тепловой трубы, где конденсируется и выделяет тепло. Затем жидкость под действием капилляров возвращается к горячему концу тепловой трубы для повторного испарения. Сосуды с мешалкой в ​​основном используются для нагрева вязких жидкостей.Они состоят из емкости с трубками внутри и мешалки, такой как пропеллер или ленточный винтовой импеллер. Трубки несут горячую жидкость, а мешалка вводится для обеспечения равномерного нагрева холодной жидкости. Теплообменники с угольным блоком обычно используются, когда необходимо нагреть или охладить агрессивные жидкости. Они состоят из твердых блоков углерода, в которых просверлены отверстия для прохождения жидкости. Затем блоки скрепляются болтами вместе с коллекторами, образуя теплообменник.

Пластинчатые теплообменники разделяют жидкости, обменивающиеся теплом, с помощью пластин. Обычно они имеют улучшенные поверхности, такие как ребра или тиснение, и скрепляются вместе болтами, припаяны или свариваются. Пластинчатые теплообменники в основном используются в криогенной и пищевой промышленности. Однако из-за высокого отношения площади поверхности к объему, малого количества жидкостей и способности обрабатывать более двух паров они также начинают использоваться в химической промышленности.

Пластинчатые и рамные теплообменники состоят из двух прямоугольных концевых элементов, которые удерживают вместе несколько рельефных прямоугольных пластин с отверстиями на углу для прохождения жидкостей.Каждая из пластин разделена прокладкой, которая герметизирует пластины и обеспечивает поток жидкости между пластинами, см. Рис. 9. Этот тип теплообменника широко используется в пищевой промышленности, поскольку его можно легко разобрать для очистки. Если утечка в окружающую среду вызывает беспокойство, можно сварить две пластины вместе, чтобы гарантировать, что жидкость, протекающая между сваренными пластинами, не сможет протечь. Однако, поскольку некоторые прокладки все еще присутствуют, утечка все еще возможна. Паяные пластинчатые теплообменники предотвращают возможность утечки за счет пайки всех пластин вместе, а затем приваривания входных и выходных отверстий.

Рисунок 6. Классификация трубчатых теплообменников.

Рисунок 7. Классификация пластинчатого теплообменника.

Рисунок 8. Кожухотрубный теплообменник.

Рисунок 9. Пластинчато-рамный теплообменник.

Пластинчато-ребристые теплообменники состоят из ребер или распорок, зажатых между параллельными пластинами. Ребра могут быть расположены так, чтобы допускать любую комбинацию поперечного или параллельного потока между соседними пластинами. Также возможно пропустить до 12 потоков жидкости через один теплообменник за счет тщательного расположения коллекторов.Обычно они изготавливаются из алюминия или нержавеющей стали и спаяны вместе. Их основное применение — сжижение газа из-за их способности работать с близкими температурами.

Пластинчатые теплообменники в некоторых отношениях похожи на кожухотрубные. Прямоугольные трубы с закругленными углами уложены друг на друга, образуя пучок, который помещается внутри оболочки. Одна жидкость проходит через трубки, тогда как жидкость течет параллельно через промежутки между трубками.Они, как правило, используются в целлюлозно-бумажной промышленности, где требуются проточные каналы большего размера.

Спиральные пластинчатые теплообменники образуются путем наматывания двух плоских параллельных пластин вместе в змеевик. Затем концы уплотняются прокладками или свариваются. Они в основном используются с вязкими, сильно загрязняющими жидкостями или жидкостями, содержащими частицы или волокна.

В теплообменниках этой категории не используется поверхность теплопередачи, из-за чего они часто дешевле косвенных теплообменников.Однако, чтобы использовать теплообменник прямого контакта с двумя жидкостями, они должны быть несмешиваемыми, или, если будет использоваться одна жидкость, она должна претерпеть фазовый переход. (См. Прямая контактная теплопередача.)

Наиболее легко узнаваемая форма теплообменника с прямым контактом — градирня с естественной тягой, которая используется на многих электростанциях. Эти агрегаты состоят из большой приблизительно цилиндрической оболочки (обычно более 100 м в высоту) и насадки внизу для увеличения площади поверхности. Охлаждаемая вода распыляется на набивку сверху, в то время как воздух проходит через дно набивки и поднимается вверх через башню за счет естественной плавучести.Основная проблема с этим и другими типами градирен с прямым контактом — это постоянная необходимость восполнения подачи охлаждающей воды за счет испарения.

Конденсаторы прямого контакта иногда используются вместо трубчатых конденсаторов из-за их низких капитальных затрат и затрат на обслуживание. Существует множество вариантов конденсатора прямого контакта. В простейшей форме охлаждающая жидкость разбрызгивается сверху емкости над паром, поступающим сбоку емкости. Затем конденсат и охлаждающая жидкость собираются внизу. Большая площадь поверхности распылителя гарантирует, что они являются достаточно эффективными теплообменниками.

Нагнетание пара используется для нагрева жидкости в резервуарах или в трубопроводах. Пар способствует передаче тепла за счет турбулентности, создаваемой впрыском, и передает тепло путем конденсации. Обычно попытки собрать конденсат не предпринимаются.

Прямой нагрев в основном используется в сушилках, где влажное твердое вещество сушится, пропуская его через поток горячего воздуха. Другая форма прямого нагрева — это горение под водой.Он был разработан в основном для концентрирования и кристаллизации коррозионных растворов. Жидкость испаряется пламенем, и выхлопные газы направляются вниз в жидкость, которая находится в резервуаре.

Воздухоохладитель с мокрой поверхностью в некоторых отношениях похож на теплообменник с воздушным охлаждением. Однако в устройствах этого типа вода распыляется по трубкам, а вентилятор всасывает воздух и воду через пучок труб. Вся система закрыта, и теплый влажный воздух обычно выбрасывается в атмосферу.

Скребковые теплообменники состоят из емкости с рубашкой, через которую проходит жидкость, и вращающегося скребка, который непрерывно удаляет отложения с внутренних стенок емкости. Эти агрегаты используются в пищевой и фармацевтической промышленности в процессе образования отложений на нагретых стенках сосуда с рубашкой.

Статические регенераторы или регенераторы с неподвижным слоем не имеют движущихся частей, кроме клапанов. В этом случае горячий газ проходит через матрицу в течение фиксированного периода времени, в конце которого происходит реверсирование, горячий газ отключается, а холодный газ проходит через матрицу.Основная проблема с этим типом агрегатов заключается в том, что и горячий, и холодный поток прерывистый. Чтобы преодолеть это и обеспечить непрерывную работу, требуются по крайней мере два статических регенератора или можно использовать роторный регенератор.

В роторном регенераторе насадка цилиндрической формы вращается вокруг оси цилиндра между парой газовых уплотнений. Горячий и холодный газ протекает одновременно по каналам с обеих сторон газовых уплотнений и через вращающуюся насадку. (См. Рекуперативные теплообменники.)

Термический анализ любого теплообменника включает решение основного уравнения теплопередачи.

Это уравнение рассчитывает количество тепла, передаваемого через область dA, где T _h и T _c — местные температуры горячей и холодной жидкости, α — местный коэффициент теплопередачи, а dA — местная дополнительная площадь, на которой α основано. Для плоской стены

где δ _w — толщина стенки, а λ _w — ее теплопроводность.

Для однофазного обтекания стенки α для каждого из потоков является функцией Re и Pr. Когда происходит конденсация или кипение, α также может зависеть от разницы температур. Как только коэффициент теплопередачи для каждого потока и стены известен, общий коэффициент теплопередачи U определяется как

где сопротивление стенки r _w равно 1 / α _w . Общая скорость теплопередачи между горячей и холодной текучими средами тогда определяется выражением

Это уравнение предназначено для постоянных температур и коэффициентов теплопередачи.В большинстве теплообменников это не так, поэтому используется другая форма уравнения

где — общая тепловая нагрузка, U — средний общий коэффициент теплопередачи, а ΔT _M — средняя разница температур. Расчет ΔT _M и отказ от предположения о постоянном коэффициенте теплопередачи описаны в разделе «Средняя разница температур».

Расчет U и ΔT _M требует информации о типе теплообменника, его геометрии (например,g., размер проходов в пластине или диаметр трубы), ориентация потока, чистый противоток или поперечный поток и т. д. Затем можно рассчитать общую нагрузку с использованием предполагаемого значения AT и сравнить с требуемой нагрузкой. Затем можно внести изменения в предполагаемую геометрию и U, ΔT _M и пересчитать, чтобы в конечном итоге перейти к решению, где равно требуемой нагрузке. Однако при выполнении термического анализа на каждой итерации также следует проверять, не превышен ли допустимый перепад давления.Компьютерные программы, такие как TASC от HTFS (Heat Transfer and Fluid Flow Service), автоматически выполняют эти расчеты и оптимизируют конструкцию.

Механические аспекты

Все типы теплообменников должны подвергаться механической конструкции в той или иной форме. Любой теплообменник, работающий при давлении выше атмосферного, должен быть спроектирован в соответствии с местным кодом конструкции сосуда высокого давления , код , например, ASME VIII (Американское общество инженеров-механиков) или BS 5500 (Британский стандарт).Эти нормы определяют требования к резервуару высокого давления, но не касаются каких-либо специфических особенностей конкретного типа теплообменника. В некоторых случаях для определенных типов теплообменников существуют специальные стандарты. Два из них перечислены ниже, но в целом отдельные производители определяют свои собственные стандарты.

ССЫЛКИ

Гарланд, У. Дж. (1990) Частное сообщение.

Уокер, Г. (1982) Industrial Heat Exchangers-A Basic Guide , Hemisphere Publishing Corporation.

Rohsenow, W. M. и Hartnett, J. P. (1973) Справочник по теплопередаче , Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Company. DOI: 10.1016 / 0017-9310 (75)
-9

Сондерс, Э. А. Д. (1988) Теплообменники — выбор, проектирование и строительство, Longman Scientific and Technical. DOI: 10.1016 / 0378-3820 (89)

-5

Ассоциация производителей трубчатых теплообменников, (1988) (ТЕМА), седьмое издание. Кожухотрубные теплообменники .

Американский институт нефти (API) 661: Теплообменники с воздушным охлаждением для нефтяной промышленности .

Что происходит, если пить слишком много воды?

Для правильного функционирования каждой клетке тела требуется вода. Однако чрезмерное употребление алкоголя может привести к отравлению водой и серьезным последствиям для здоровья.

Трудно случайно выпить слишком много воды, но это может произойти, обычно в результате чрезмерного увлажнения во время спортивных соревнований или интенсивных тренировок.

Симптомы водной интоксикации являются общими — они могут включать спутанность сознания, дезориентацию, тошноту и рвоту.

В редких случаях водная интоксикация может вызвать отек мозга и привести к летальному исходу.

В этой статье описаны симптомы, причины и последствия отравления водой. Также учитывается, сколько воды человек должен пить каждый день.

Поделиться на PinterestЧеловек может испытывать отравление водой, если выпьет слишком много воды.

Водное отравление, также известное как отравление водой, — это нарушение функции мозга, вызванное употреблением слишком большого количества воды.

Это увеличивает количество воды в крови.Это может привести к разбавлению электролитов, особенно натрия, в крови.

Если уровень натрия опускается ниже 135 миллимолей на литр (ммоль / л), врачи называют проблему гипонатриемией.

Натрий помогает поддерживать баланс жидкостей внутри и вне клеток. Когда уровень натрия падает из-за чрезмерного потребления воды, жидкости перемещаются снаружи внутрь клеток, вызывая их набухание.

Когда это происходит с клетками мозга, это может быть опасно и даже опасно для жизни.

Итог : Водное опьянение возникает в результате употребления слишком большого количества воды. Избыток воды разбавляет натрий в крови и заставляет жидкости перемещаться внутри клеток, вызывая их набухание.

Когда человек потребляет чрезмерное количество воды и клетки его мозга начинают набухать, давление внутри черепа увеличивается. Это вызывает первые симптомы водной интоксикации, которые включают:

Тяжелые случаи водной интоксикации могут вызывать более серьезные симптомы, например:

Накопление жидкости в головном мозге называется отеком мозга.Это может повлиять на ствол мозга и вызвать дисфункцию центральной нервной системы.

В тяжелых случаях водное отравление может вызвать судороги, повреждение мозга, кому и даже смерть.

Итог : Слишком большое количество воды может увеличить давление внутри черепа. Это может вызвать различные симптомы и в тяжелых случаях привести к летальному исходу.

Водное отравление встречается редко, и очень трудно случайно выпить слишком много воды. Однако это может случиться — было множество медицинских сообщений о смерти из-за чрезмерного потребления воды.

Водное отравление чаще всего поражает людей, участвующих в спортивных мероприятиях или тренировках на выносливость, или людей с различными психическими расстройствами.

Спортивные мероприятия

Водное опьянение особенно часто встречается у спортсменов на выносливость. Это может произойти, если человек выпьет много воды без правильного учета потерь электролита.

По этой причине гипонатриемия часто возникает во время крупных спортивных мероприятий.

Как сообщают авторы одного исследования, из 488 участников Бостонского марафона 2002 года у 13% были симптомы гипонатриемии, а у 0.У 06% наблюдалась критическая гипонатриемия с уровнем натрия менее 120 ммоль / л.

В результате отравления водой во время этих событий наступил смерть. Один случай произошел с бегуном, который потерял сознание после марафона.

Из-за неправильной регидратации уровень натрия у него упал ниже 130 ммоль / л. Затем у бегуна образовалась вода в мозгу, известная как гидроцефалия, и грыжа в стволе мозга, что стало причиной его смерти.

Военная подготовка

В одном медицинском заключении описывается 17 солдат, у которых развилась гипонатриемия после того, как они выпили слишком много воды во время тренировки.Уровень натрия в крови у них был 115–130 ммоль / л, в то время как нормальный диапазон составляет 135–145 ммоль / л.

Согласно другому сообщению, трое солдат скончались из-за гипонатриемии и отека мозга. Эти смерти были связаны с употреблением более 5 литров воды всего за несколько часов.

Симптомы гипонатриемии можно ошибочно принять за обезвоживание. Согласно одному сообщению, солдат, которому был поставлен неверный диагноз обезвоживания и теплового удара, умер от водной интоксикации в результате усилий по регидратации.

Психические расстройства

Компульсивное употребление воды, также называемое психогенной полидипсией, может быть симптомом различных психических расстройств.

Чаще всего встречается у людей с шизофренией, но также может возникать у людей с аффективными расстройствами, психозами и расстройствами личности.

Итог : Водное отравление может быть опасным для жизни и чаще всего встречается среди солдат на тренировках, спортсменов на выносливость и людей с шизофренией.

Трудно случайно выпить слишком много воды. Однако это может случиться, и было много сообщений о смерти из-за чрезмерного потребления воды.

Люди, подверженные риску смерти от отравления водой, как правило, участвуют в спортивных соревнованиях на выносливость или в военных тренировках. Человек, который не делает ни того, ни другого, вряд ли умрет от употребления слишком большого количества воды.

Гипергидратация и водная интоксикация возникают, когда человек выпивает больше воды, чем его почки могут избавиться с мочой.

Количество воды — не единственный фактор, время также играет роль.

Согласно цифрам, приведенным в исследовании 2013 года, почки могут выводить около 20–28 литров воды в день, но они могут удалять не более 0,8–1 литра каждый час.

Чтобы избежать гипонатриемии, важно не опережать почки, выпивая больше воды, чем они могут вывести.

Авторы исследования сообщают, что симптомы гипонатриемии могут развиться, если человек выпивает 3–4 литра воды за короткий период, хотя они не дают точной оценки времени.

Согласно одному отчету, симптомы заболевания у солдат развились после употребления не менее 2 литров (1,9 литра) воды в час.

В другом отчете описывается развитие гипонатриемии после употребления более 5 литров в течение нескольких часов.

Водная интоксикация и длительная гипонатриемия наблюдались также у здорового 22-летнего заключенного, выпившего 6 литров воды за 3 часа.

Наконец, согласно одному отчету, у 9-летней девочки развилось водное опьянение после употребления 3.6 литров воды за 1–2 часа.

Итог : Почки могут выводить 20–28 литров воды в день, но не могут выводить более 0,8–1,0 литра в час. Чрезмерное употребление алкоголя может быть вредным.

По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC), не существует официальных инструкций о том, сколько воды человеку нужно пить каждый день.

Правильное количество зависит от таких факторов, как масса тела, уровень физической активности, климат и от того, кормят ли они грудью.

В 2004 году Национальная медицинская академия рекомендовала женщинам в возрасте 19–30 лет потреблять около 2,7 литров в день, а мужчинам того же возраста — около 3,7 литров в день.

Некоторые люди до сих пор следуют правилу 8 × 8, которое рекомендует выпивать восемь стаканов воды по 8 унций в день. Однако это не было основано на исследованиях.

Жажда может помочь не каждому.